устройство с импульсной нагрузкой для испытаний на контактную выносливость

Формула изобретения

Устройство с импульсной нагрузкой для испытаний на контактную выносливость плоских поверхностей деталей вибрационных машин путем определения пластических деформаций и износа упрочненных материалов, содержащее вращающийся обкатник с деформируемыми телами, сепаратор и испытуемый образец, отличающееся тем, что оно снабжено гидроцилиндром, в котором расположен боек, волноводом, выполненным с возможностью приложения к нему статической нагрузки и посредством бойка периодической импульсной нагрузки, гидравлическим генератором импульсов для питания гидроцилиндра, при этом волновод соединен подвижно с помощью упорного подшипника с обкатником, последний приводится во вращение от индивидуального привода, расположенного в корпусе и состоящего из электродвигателя, клиноременной передачи и вала, на котором на одном конце на шлицах установлен обкатник, на другом конце шкив клиноременной передачи, а на средней части - подшипники опорного узла.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии машиностроения, к устройствам для определения пластических деформаций и износа упрочненных материалов при испытаниях на контактную выносливость плоских поверхностей импульсной нагрузкой деталей вибрационных машин.

Известно устройство для определения пластических деформаций и износа упрочненных материалов при испытаниях на контактную выносливость плоских поверхностей деталей машин, содержащее обкатник с деформируемыми телами, причем обкатник выполнен в виде оправки, один торец которой представляет собой конический хвостовик для установки и крепления в шпинделе привода вращательного движения, а на другом торце, выполненном в форме диска, жестко закреплен испытуемый верхний образец и подвижно закреплен сепаратор, позволяющий по круговым концентричным траекториям на различном расстоянии от центра вращаться деформирующим телам, при этом нижний испытуемый образец жестко закреплен в зажимном приспособлении таким образом, что деформирующие тела одновременно взаимодействуют с верхним и нижним образцами, кроме того, как второй вариант, на торце оправки обкатника установлено многоместное зажимное верхнее приспособление с большим количеством испытуемых образцов, при этом нижние испытуемые образцы установлены так же в многоместном зажимном приспособлении [1].

Недостатками известного устройства для испытаний на контактную выносливость образцов различной формы являются узкие технологические возможности, не позволяющие приблизить характер испытаний к реальным условиям эксплуатации образцов, а также невозможность определения соотношения качения и проскальзывания и, следовательно, получения достоверной информации о процессе изнашивания.

Задачей изобретения является расширение технологических возможностей и создание условий испытаний приближенных к реальным условиям эксплуатации образцов деталей вибрационных машин, повышение производительности, установление влияния на контактно-усталостное изнашивание соотношения качения и проскальзывания.

Поставленная задача решается с помощью предлагаемого устройства с импульсной нагрузкой для испытаний на контактную выносливость плоских поверхностей деталей вибрационных машин путем определения пластических деформаций и износа упрочненных материалов, содержащего вращающийся обкатник с деформируемыми телами, сепаратор и испытуемый образец, при этом оно снабжено гидроцилиндром, в котором расположен боек, волноводом, выполненным с возможностью приложения к нему статической нагрузки и посредством бойка периодической импульсной нагрузки, гидравлическим генератором импульсов для питания гидроцилиндра, причем волновод соединен подвижно с помощью упорного подшипника с обкатником, последний приводится во вращение от индивидуального привода, расположенного в корпусе и состоящего из электродвигателя, клиноременной передачи и вала, на котором на одном конце на шлицах установлен обкатник, на другом конце - шкив клиноременной передачи, а на средней части - подшипники опорного узла.

Особенности конструкции устройства с импульсной нагрузкой для испытаний на контактную выносливость поверхностей деталей вибрационных машин поясняются чертежами.

На фиг.1 представлена схематичная конструкция устройства, вырабатывающее импульсную нагрузку для испытаний на контактную выносливость плоских образцов деталей вибрационных машин; на фиг.2 - сечение по А-А на фиг.1, вид снизу на сепаратор и деформирующие тела; на фиг.3 - общий вид спереди с частичным продольным сечением, устройство в нерабочем положении, при смене испытуемого образца; на фиг.4 - вид по Б на фиг.1, общий вид сверху; на фиг.5 - сечение по В-В на фиг.3, вид сверху на поверхность испытуемого образца, вариант наладки с деформирующими телами-шариками, расположенными на круговых концентрических траекториях на различном расстоянии R₁ , R₂ от центра; на фиг.6 - сечение по В-В на фиг.3, то же (см. фиг.5), но деформирующие тела меньшего диаметра по сравнению с деформирующими телами, показанными на фиг.5; на фиг.7 - сечение по В-В на фиг.3, вариант наладки, где показано несколько плоских испытуемых образцов.

Предлагаемое устройство предназначено для определения пластических деформаций и износа упрочненных материалов при испытаниях на контактную выносливость плоских поверхностей деталей вибрационных машин, испытываемых ударную нагрузку в процессе эксплуатации.

Вибрационная машина имеет рабочий орган, которому сообщается колебательное движение, необходимое для осуществления или интенсификации выполняемого процесса. Находят применение вибрационные машины с частотой колебаний от сотых долей Гц до 10 кГц и с амплитудой колебаний от 1 м до долей мкм, с механическим, электрическим, гидравлическим, пневматическим и т.д. приводом, который по типу преобразования подводимой энергии бывает: центробежным, поршневым, кулачковым, кривошипно-шатунным, электромагнитным, электродинамическим, магнитострикционным, пьезоэлектрическим и т.д., по спектральному составу вибраций - машины с моногармоническими (синусоидальными), бигармоническими, полигармоническими колебаниями; по форме траектории точек рабочего органа - с направленными прямолинейно, круговыми, эллиптическими, винтовыми и др. колебаниями; по наличию ударов - безударные и ударно-вибрационные; по соотношению частоты вынужденных колебаний и собственных частот - дорезонансные, зарезонансные, резонансные и межрезонансные. Широкое распространение вибрационные машины получили в строительстве и производстве строительных материалов (виброкатки, виброплиты, виброплощадки, вибрационные решетки, вибропогружатели, вибромолоты), вибрационной обработке, вибрационном резании, для питания автоматических станков ориентированными заготовками (вибрационные бункеры, вибрационные конвейеры); в горнодобывающей промышленности для бурения, погрузки и доставки горной массы (виброгрохоты). Вибрационные машины применяют также на транспорте для погрузки и разгрузки сыпучих материалов, подбивки щебеночного балласта и т.д.; в машинах пищевой промышленности и сельского хозяйства (вибрационные решета, сепараторы, вибрационные насосы, вибрационные кормушки для птиц); в коммунальном хозяйстве (стиральные машины, скалывания уплотненного снега и льда с дорог т.д.); в медицинской технике (зубоврачебные боры, машинки для массажа) и во многих др. областях.

С целью создание условий испытаний приближенных к реальным условиям эксплуатации образцов деталей вибрационных машин, предлагаемое устройство позволяет нагружать испытуемые образцы как статической Р _СТ, так и импульсной Р_ИМ периодической нагрузкой с частотой f.

Устройство содержит вращающийся обкатник 1 с деформируемыми телами 2, который выполнен в виде диска, один торец которого контактирует с пятой 3, подвижно с возможностью вращения, закрепленной с помощью упорного подшипника 4 на штоке 5.

Другой торец обкатника 1 контактирует с деформирующими телами 2, имеющими форму, например, конических роликов. Деформирующие тела размещаются по круговой траектории на расстоянии R относительно продольной центральной оси с помощью сепаратора 6, который подвижно закреплен на шлицевом валу 7 и выполнен, например, из текстолита.

Контакт обкатника с пятой осуществляется по сферической поверхности с целью компенсации отклонений осей их вращения, возникших и имеющих место при сборке, от общей центральной оси устройства.

Предлагаемое устройство снабжено гидроцилиндром 8, в котором расположен боек 9, волноводом 10, выполненным с возможностью приложения к нему статической нагрузки Р_СТ и посредством бойка 9 периодической импульсной нагрузки Р_ИМ [2, 3].

Питание гидроцилиндра осуществляется от гидравлического генератора импульсов (ГГИ, не показан), который вырабатывает и осуществляет подачу масла под давлением, как непрерывным потоком, так и импульсами необходимой частоты [2-4].

Обкатник приводится во вращение от индивидуального привода, который располагается в корпусе 11 устройства и состоит из электродвигателя (не показан) и клиноременной передачи, передающей вращение валу 7. Ведомый шкив 12 клиноременной передачи, показанный на фиг.1, установлен на одном конце вала 7, на другом шлицевом конце вала установлен обкатник, а на средней части вала установлены подшипники 13 опорного узла. Скорость вращения V обкатника может регулироваться путем смены шкивов клиноременной передачи и изменением частоты вращения электродвигателя.

Испытуемый образец 14 ориентирован в корпусе 11 устройства с помощью шпонки 15 и закреплен с возможностью быстрой смены.

С целью увеличения производительности устройства в качестве второго испытуемого образца можно использовать обкатник, при этом деформируемые тела, например ролики, будут одновременно контактировать и воздействовать на нижний и верхний испытуемые образцы (согласно фиг.1, 3).

Рабочие поверхности деталей, особенно вибрационных машин, воспринимающие концентрированные циклические контактные нагрузки, часто выходят из строя вследствие усталостного разрушения. Для повышения контактной выносливости таких деталей широко используются различные способы упрочнения, такие как термообработка, химико-термическая обработка, поверхностное пластическое деформирование со статическим и статико-импульсным нагружением [4].

Определение эффективности использования упрочнения часто возможно только в результате экспериментальных испытаний на контактную выносливость упрочненных образцов.

Для этого в настоящее время применяются различные методики и установки, достоверность исследований на которых в первую очередь зависят от того, на сколько условия испытаний будут точно воспроизводить условия работы сопряженных поверхностей.

В настоящее время существует целый ряд деталей машин, такие как бойки, различные виды опор, рельс, направляющих и др., у которых изнашиваемая поверхность является плоской. Одной из основных проблем при испытаниях на контактную выносливость образцов различной формы и, особенно с плоской поверхностью, является повышение производительности.

Большая длительность испытаний (до 30 дней) обычно связана с обеспечением необходимого числа циклов нагружения до 10⁶ и более.

Испытания с помощью предлагаемого устройства осуществляются следующим образом. Волновод, являющийся поршнем гидроцилиндра и посаженный на шток, через упорный подшипник, пяту и обкатник поджимает деформируемые тела, установленные в сепараторе, к нижнему образцу со статической силой Р_СТ. Статическая сила прижима Р_СТ предварительно тарирована, регулируется и устанавливается на гидропанели ГГИ (не показан, [2-4]).

Помимо статической нагрузки на деформируемые тела действует дополнительная периодическая импульсная нагрузка Р_ИМ. Последнюю осуществляют с помощью бойка, воздействующего на торец волновода, выполненные в виде дисков одинакового диаметра.

В качестве механизма импульсного нагружения инструмента применяют гидравлический генератор импульсов (не показан) [2-4].

Исходный импульс, сформированный в бойке в момент удара по волноводу, отражаясь от свободного торца бойка с противоположным знаком, доходит до волновода, одна его часть вновь отражается в боек, а другая переходит в волновод и распространяется в направлении нагружаемых поверхностей. Дойдя до нагружаемых поверхностей, последняя часть импульса распределяется на проходящий и отраженный. Проходящие волны деформации при равенстве высот дисков бойка и волновода не накладываются и не разрываются, а следуют друг за другом, кроме того, при равенстве площадей контакта поперечных сечений бойка и волновода энергия удара наиболее полно реализуется в контакте с нагружаемой средой [2-4].

Включается вращение обкатника с заданной частотой V, при этом деформируемые тела совершают круговое обкатывающее движение по поверхности образца и обкатника.

Глубина упрочненного слоя предлагаемым устройством с использованием дополнительной импульсной нагрузки достигает 1,5 2,5 мм, что значительно (в 3 4 раза) больше, чем при традиционном статическом упрочнении.

Наибольшая степень упрочнения составляет 15 30%. В результате статико-импульсного упрочнения по сравнению, например, с традиционным упрочнением с использованием статической силы, эффективная глубина слоя, упрочненного на 20% и более возрастает в 1,8 2,7 раза, а глубина слоя, упрочненного на 10% и более - в 1,7 2,2 раза.

Выше приведенный широкий диапазон регулирования показателей испытуемых образцов позволяет настроить и установить режимы испытаний, приближенных к реальным условиям эксплуатации деталей вибрационных машин.

Испытания могут проводиться как со смазкой, так и без смазки. Для этого в зону контакта осуществляется регулярный подвод индустриального масла известными способами.

Особенностью конструкции предлагаемого устройства является возможность использования как малых, так и больших по размерам (см. фиг.5 и 6) и разнообразных по форме (например, конические ролики - фиг.1, шарики - фиг.5, 6) деформируемых тел, контактирующих с одним образцом, а также одновременно с двумя образцами, нижним и верхним, воздействуя на них, когда в качестве верхнего испытуемого образца используется обкатник.

На фиг.7 показан вариант конструкции устройства, позволяющей испытывать одновременно несколько образцов в виде прямоугольных (или другой формы) плит, которые закрепляются в многоместном приспособлении (не показано), расположенном на корпусе.

Пример. Испытания на контактную выносливость проводили для деталей низкочастотного вибратора с гидравлическим приводом (частота вынужденных колебаний не более 50 Гц), используемого при вибрационном резании для дробления стружки. Для оценки влияния размеров пятна контакта на процесс контактно-усталостного выкрашивания используем различные типы конструкций сепаратора, рассчитанных на использование в процессе испытаний деформируемых тел различных диаметров и форм. При использовании деформируемых тел небольшого диаметра количество дорожек можно иметь больше (фиг.6). Например, при использование деформируемых тел - шариков диаметром 8,9 мм можно получить на пластине с образцами три дорожки качения, а при использовании деформируемых тел - шариков диаметром 19 мм - две дорожки качения радиусами R₁ и R₂ . Таким образом, на поверхности одной пластины с образцами можно получить пять дорожек качения и максимально использовать экспериментальную площадь образцов.

Испытания осуществляли на базе 10⁶ циклов, при частоте вращения шпинделя до 400 об/мин, энергии ударов А=160 Дж, силе ударов Р_ИМ=260 кН, силе статического поджатия Р_СТ=40 кН, частоте ударов f=18 Гц, время испытаний составляло 4,75 ч. После прохода 5·10 ⁵ циклов нагружения испытания прерывали и производили осмотр дорожек качения с целью выявления критического износа. Затем данные осмотры проводили каждые 1·10⁵ циклов нагружения до достижения базового числа циклов. После прохода заданного числа циклов контактного нагружения испытания завершали, образцы извлекали из устройства и подвергали лабораторным исследованиям.

Техническая характеристика экспериментального устройства с импульсной нагрузкой для испытания на контактную выносливость плоских образцов представлена в таблице № 1.

Габаритные размеры, мм	380×270×270
Масса, кг	18,5
Количество образцов на одной плоскости, шт	8
Частота вращения обкатника, об/мин	до 400
Энергия ударов бойка, Дж	до 200
Сила статического поджатия РСТ, кН	до 50
Сила импульсная Рим, кН	до 300
Частота ударов f. Гц	до 50

Таблица № 1.
Техническая характеристика устройства с импульсной нагрузкой для испытания на контактную выносливость плоских образцов
Диаметр деформируемых тел в обкатнике, мм	8,9	19
Кол-во деформируемых тел в обкатнике, шт	24	16
Кол-во деформируемых тел на одной дорожке качения, шт
	8	8
Максимальный диаметр дорожки качения, мм	114,53	104,04
Минимальный диаметр дорожки качения, мм	78,88	67,63
Кол-во получаемых образцов за один эксперимент, шт
	48	32

Расположение деформируемых тел на различном расстоянии от центра обкатника, позволяет за одно испытание получить на каждом образце несколько дорожек с различными значениями угловых скоростей, от которых, в свою очередь, зависит соотношение качения и проскальзывания (износа).

В одном радиальном ряду может находиться несколько деформируемых тел, что позволяет за один оборот сепаратора подвергать образцы циклам нагружения, равным количеству деформируемых тел, что существенно уменьшает время испытаний и увеличивает равномерность нагружения.

Одновременное обкатывание нижних и верхних образцов позволяет уменьшить общее время испытаний, значительно повысить точность и производительность процесса.

Устройство позволяет убирать деформируемые тела из одного или нескольких радиальных рядов, в ходе испытаний, если это необходимо, в случае достижения на данной дорожке качения критического износа. При этом испытания могут быть продолжены для других дорожек качения, где износ еще не достиг критического значения.

Размещение на держателе сразу нескольких образцов позволяет одновременно провести их испытания при одинаковых условиях, наглядно сравнить износ поверхности образцов после различных упрочняющих обработок, при различных режимах упрочнения, что значительно повышает производительность процесса исследований.

Предлагаемое устройство расширяет технологические возможности испытаний и создает условия их проведения к реальным условиям эксплуатации образцов деталей вибрационных машин, повышает производительность, имеет возможность установления влияния на контактно-усталостное изнашивание соотношения качения и проскальзывания.

Источники информации, принятые во внимание

1. Патент РФ 2357230, G01N 3/56. Устройство для испытаний на контактную выносливость. Степанов Ю.С., Киричек А.В., Соловьев Д.Л., Силантьев С.А., Баринов С.В., Афанасьев Б.И., Тарасов Д.Е., Фомин Д.С. Заявка № 2008105 583/28; 13.02.2008. 27.05.2009 Бюл. № 15.

2. Киричек А.В., Лазуткин А.Г., Соловьев Д.Л. Статико-импульсная обработка и оснастка для ее реализации // СТИН, 1999, № 6. - С.20-24.

3. Патент РФ № 2090342. В24В 39/04. Лазуткин А.Г., Киричек А.В., Соловьев Д.Л. Гидроударное устройство для обработки деталей ППД. 95122309/02. 21.12.95. 20.09.97. Бюл. № 26.

4. Киричек А.В., Соловьев Д.Л., Лазуткин А.Г. Технология и оборудование статико-импульсной обработка поверхностным пластическим деформированием. Библиотека технолога. М.: Машиностроение, 2004, 288 с.